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7/12/2019 PPT Fibre Optique
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Étude de technologies avancées
pour l’optimisation des systèmes
de transmission optique
multiplexés en longueur d’onde
au débit de 40 Gbit/s
Soutenance de thèse
Mathieu Lefrançois
6 décembre 2007 – Institut d’Optique, Palaiseau

2 | Étude de technologies avancées pour l’optimisation des systèmes de transmission optique
multiplexés en longueur d’onde au débit de 40 Gbit/s | M. Lefrançois, 6 décembre 2007
Transmission de données numériques par fibre
optique
Système de transmission optique
Permet de transporter des informations numériques via
une propagation par fibre optique
 Pertes en ligne réduites : 0.2 dB/km (4%/km)
Câble électrique : >10 dB/km
 Possibilité d’un débit binaire élevé :  10 Gbit/s
câble électrique : <100 Mbit/s
Données
Récepteur
Fibres optiques
Modulateur
Données (débit
binaire B)
I
t
Signal optique modulé
Source laser
continue ~1550 nm Amplificateurs

Multiplexage en longueur d’onde (WDM)
Modulation en parallèle de plusieurs « canaux »
 À 1 canal correspond 1 longueur d’onde
 « Capacité » d’un système WDM :
Débit par canal B  Nombre de canaux
Mod.
00111010
B Gbit/s
Mod. 01010011
B Gbit/s
Mod.
11010010
B Gbit/s
Mod.
10010110
B Gbit/s
4
3
2
1 00111010
01010011
11010010
10010110
I
t
Signal WDM (« multiplex »)
M
u
l
t
i
p
l
e
x
e
u
r
D
é
m
u
l
t
i
p
l
e
x
e
u
r
I
f

Types de systèmes de transmission optique
Systèmes métropolitains
 qqs centaines de km max.
 Echelle d’une ville
Systèmes
d’accés
Systèmes
d’accés
Systèmes
d’accès
Systèmes
d’accés
Systèmes
d’accés
Systèmes
d’accès
 Systèmes longue
distance terrestres
 ~300 km – 3000 km
 Echelle d’un continent
 Systèmes très longue
distance sous-marins
 ~3000 km – 13000 km
 Echelle d’un océan
Systèmes métropolitains
 qqs centaines de km max.
 Echelle d’une ville

Contexte industriel
Systèmes existants : systèmes WDM modulés à 10 Gbit/s par
canal, de capacité totale jusqu’à 1 Tbit/s
 Capacité suffisante aujourd’hui
 Mais ne suffira pas dans un avenir proche
 Nécessité de concevoir des systèmes de transmission
optique à capacité plus élevée pour une distance
atteignable similaire
 Technique retenue : augmentation de leur densité spectrale
d’information (ISD), par augmentation du débit par canal de 10 Gbit/s
à 40 Gbit/s et augmentation moindre de l’espacement entre canaux
Canaux
10 Gbit/s
ISD 0.2 bit/s/Hz
f
I
50 GHz
f
I
100 GHz Canaux
40 Gbit/s
ISD 0.4 bit/s/Hz

Plan de la présentation
1. Transmission d’informations par fibre optique
2. Techniques d’augmentation progressive de la capacité
3. Étude de nouvelles technologies pour les systèmes
sous-marins à 40 Gbit/s par canal
4. Validation expérimentale de l’utilisation du débit de
40 Gbit/s dans un système conçu pour 10 Gbit/s

Transmission par fibre optique : effets de
propagation
Distorsions du signal  erreurs de détection
 Qualité du signal caractérisée par son taux d’erreurs binaires (BER) ou
par le facteur de qualité Q
 Signal « sans erreur » : BER  10-12 (Q > 17 dB)
 Codes correcteurs d’erreurs (FEC) : BER 10-3 (Q  10 dB)  BER 10-12
avec un sur-débit de 7 %
Émetteur Récepteur
Diagramme
de l’oeil
0 0 1 0 0 1 1 0
Signal
Propagation
Bit erroné : erreur de
détection
0 0 1 0 0 1 0 0

Effets de propagation : l’atténuation
Nécessité d’une amplification périodique du signal
Génération de bruit optique d’émission spontanée
amplifiée
Limitation par le bruit à faibles puissances
Récepteur
z
Psignal
Pbruit
Émetteur

La dispersion chromatique : décalage temporel des
différentes composantes spectrales d’un signal après
propagation
 Nécessité de fibres compensatrices de dispersion (DCF) ou autres
dispositifs (conjugaison de phase optique,…)
La dispersion de polarisation : élargissement temporel dû à
la biréfringence de la fibre
Effets de propagation : la dispersion
Dispersion
cumulée
(ps/nm)
z

Déphasage du signal suivant son intensité puis déformation
par la dispersion chromatique. Limitant à fortes puissances
Effets croisés : interactions entre deux ou plusieurs canaux
Effets intra-canaux : interactions au sein d’un même canal
Effet Kerr + dispersion
Effets de propagation : effets non-linéaires
(effet Kerr)
t
1 2
Dispersion
t
Dispersion
t t

Formats de modulation
Codages optiques des données numériques électriques
Modulation possible de l’intensité et/ou de la phase de
l’onde porteuse optique
Chaque format de modulation est plus ou moins tolérant
au bruit et aux différents effets de propagation
Modulateur
Données
Signal laser continu
I
t
Signal
modulé
I
t
« Symboles »
I
f

Familles de formats de modulation
Formats modulés en intensité : « NRZ » (Non Return to Zero)
Formats modulés en phase
 « DPSK » (Differential Phase-Shift Keying) et « RZ-DPSK »
 « DQPSK » : codage sur 4 niveaux de phase
 Détection différentielle : interférence entre deux symboles consécutifs
 Doublement de la tolérance au bruit optique
Formats duobinaires : « PSBT » (Phase-Shaped Binary
Transmission)
0   0 
I
t
I
f
r
z
dps
k
0   0 
I
t
I
f
0  
I
t
0 0
I
f
I
t
I
f
20 dB
Détection directe

2. Techniques d’augmentation progressive de la
capacité

Augmentation progressive de la capacité
Système initial : système WDM à 10 Gbit/s par canal et
50 GHz d’espacement entre canaux (densité spectrale
d’information 0.2 bit/s/Hz). Modulation NRZ
Action menée : substitution, au rythme de la demande,
d’un canal NRZ à 10 Gbit/s par un canal à 40 Gbit/s en
conservant la même grille spectrale
 Augmentation progressive de la densité spectrale
d’information donc de la capacité du système
Permet de suivre l’augmentation de la demande en
capacité
Canaux 10 Gbit/s
ISD 0.2 bit/s/Hz
f
I
50 GHz
f
I
50 GHz Canaux 10 Gbit/s
Canaux 40 Gbit/s
0.2  ISD  0.8

Augmentation du débit  augmentation de la largeur
spectrale du canal
 Des formats de modulation à faible encombrement
spectral doivent être utilisés pour la modulation à 40 Gbit/s
Multiplex mixte 10 Gbit/s – 40 Gbit/s : effets de propagation
non-linéaires très contraignants
 Les canaux à 40 Gbit/s doivent être tolérants au voisinage
de canaux à 10 Gbit/s et/ou de canaux à 40 Gbit/s espacés
de 50 GHz
Contraintes liées à cette technique

Formats à faible encombrement spectral
Transmission binaire à profil de phase contrôlé (PSBT)

Saut de phase de  à chaque « 0 » codé  spectre plus étroit
  Ne nécessite qu’une détection directe
  Excellente tolérance à la dispersion chromatique
  Peu tolérante aux défauts de l’émetteur
Modulation différentielle en phase sur 4 niveaux (DQPSK)
 2 bits codés par symbole  Modulation optique à débit moitié
  Bonne tolérance au bruit
  Excellente tolérance aux dispersions chromatique
et de polarisation
  Génération et détection très complexes
Qu’en est-il de leur tolérance aux effets non-linéaires au
sein d’un multiplex mixte 10/40 Gbit/s ?
0  0 0 
I
t f
I I
f
Spectre PSBT Spectre NRZ
I
f
I
t
 Spectre DQPSK

Étude numérique des formats DQPSK et PSBT
Étude de la tolérance d’un canal 40 Gbit/s PSBT ou DQPSK

Au voisinage de canaux identiques à 40 Gbit/s
 Au voisinage de canaux NRZ à 10 Gbit/s
Synthèse de plusieurs configurations terrestres possibles
Système 10 x 100 km
 Profil de dispersion « double période »
 Fibre de ligne : dispersion 4 ps/nm/km ou 17 ps/nm/km
0 1000
Distance (km)
D
i
s
p
e
r
s
i
o
n
c
u
m
u
l
é
e
f
I
50 GHz
Multiplex hybride
10/40 Gbit/s
f
I
50 GHz
Multiplex
40 Gbit/s
50 GHz
esp.

0
1
2
3
4
-12 -6 0 6
Puissance d'entrée (dBm)
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
0
1
2
3
4
-12 -6 0 6
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
4 ps/nm/km 17 ps/nm/km
WDM
10/40 Gbit/s WDM 10/40 Gbit/s
WDM 40 Gbit/s
WDM 40 Gbit/s
Tolérance aux effets non-linéaires de la DQPSK
Pénalités en facteur Q à rapport signal sur bruit constant
Forte dégradation du seuil non-linéaire de la DQPSK
lorsqu’elle est entourée de canaux NRZ à 10 Gbit/s
 Dégradation ~5 à 6 dB
 Totalement inadaptée sur NZDSF
Limitations par le bruit
M. Lefrançois et al., OFC’07, JThA44, Mars 2007

Tolérance aux effets non-linéaires de la PSBT
PSBT très peu pénalisée par le voisinage de canaux à
10 Gbit/s
M. Lefrançois et al., OFC’07, JThA44, Mars 2007
0
1
2
3
4
-12 -6 0 6
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
0
1
2
3
4
-12 -6 0 6
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
WDM 10/40 Gbit/s WDM 10/40 Gbit/s
WDM 40 Gbit/s
WDM 40 Gbit/s
4 ps/nm/km 17 ps/nm/km

Confirmation expérimentale sur NZDSF (800 km)
Très peu de dégradation de la performance de la PSBT
due au voisinage de canaux NRZ 10 Gbit/s
(RZ)-DQPSK inutilisable dans cette configuration
 PSBT recommandée pour les configurations hybrides
Limite FEC
0 4
Puissance des canaux NRZ
F
a
c
t
e
u
r
Q
(
d
B
)
-4 8
15
11
7
Puissance du canal PSBT (dBm)
F
a
c
t
e
u
r
Q
(
d
B
)
15
11
7
0 4
-4 8
Puissance du canal RZ-DQPSK (dBm)
Limite FEC
Puissance des canaux NRZ
G. Charlet, M. Lefrançois et al., ECOC’06, Mo 3.2.6, Sept. 2006

Systèmes sous-marins de nouvelle génération
à 40 Gbit/s par canal
Étude de la propagation d’un signal composé uniquement
de canaux à 40 Gbit/s
Densité spectrale d’information considérée : 0.4 bit/s/Hz
(100 GHz d’espacement entre canaux à 40 Gbit/s)
 Supérieure à celle des systèmes à 10 Gbit/s
 Prédominance des effets non-linéaires intra-canaux
Systèmes étudiés :

Systèmes sous-marins conventionnels conçus pour
10 Gbit/s utilisés à 40 Gbit/s par canal
 Systèmes sous-marins de nouvelle génération avec
conjugaison de phase optique en milieu de ligne

-5000
0
5000
0 2000 4000 6000
Distance (km)
D
i
s
p
e
r
s
i
o
n
c
u
m
u
l
é
(
p
s
/
n
m
)
1550 nm
Composés d’une succession de « blocs » :

6 tronçons de fibre « NZDSF- » :–3 ps/nm/km (à 1550 nm)
 1 tronçon de fibre à +18 ps/nm/km (à 1550 nm)
Non-compensation de la pente de dispersion (positive pour
les deux fibres)
Profil de dispersion :
-5000
0
5000
0 2000 4000 6000
Distance (km)
D
i
s
p
e
r
s
i
o
n
c
u
m
u
l
é
e
(
p
s
/
n
m
)
1550 nm
Étude des systèmes sous-marins « NZDSF »

Influence de la non-compensation de la
pente de dispersion à 40 Gbit/s
Différences significatives de dispersion cumulée à
l’intérieur même du spectre du signal modulé à 40 Gbit/s
 Source de déformations temporelles et de pénalités
 A 40 Gbit/s, la compensation de la pente de dispersion
par canal est indispensable pour atteindre de très
longues distances (>5000 km)
Dispersion
cumulée
4
5
0
p
s
/
n
m
a
p
r
è
s
7
0
0
0
k
m
100 GHz
(0.8 nm)
10 dB
Puissance
-3 -2 -1 0 1 2 3
Fréquence normalisée au débit
0
1
2
3
0 200 400 600
Pente de dispersion résiduelle (ps/nm²)
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
7000 km
5000 km
DPSK
RZ-DPSK

Transmission sur 10500 km, formats (APol) RZ-
DPSK à 40 Gbit/s : résultats numériques
Seuils non–linéaires similaires pour chaque canal pour un
format donné
 RZ-DPSK et APol RZ-DPSK très tolérants aux grandes
excursions de dispersion
APol RZ-DPSK adapté aux très longues distances
0
1
2
3
4
-10 -8 -6 -4 -2 0
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
1535 nm
1550 nm
1565 nm
10500 km
RZ-DPSK RZ-DPSK à
polarisation alternée
(APol RZ-DPSK)
X
Y z
Pente de dispersion
compensée
M. Lefrançois et al., Electronics Letters 42, Fév. 2006

Systèmes sous-marins « nouvelle génération »
avec conjugaison de phase optique
Système sous-marins de nouvelle génération « +D/-D » :
Composé de tronçons identiques : 2/3 fibre « +D », 1/3 fibre
« -D »
 Fibre « +D » : faibles pertes (~0.18 dB/km), peu de non-linéarités
 Fibre « -D » : compense la dispersion et la pente de dispersion de la « +D »

Mais problèmes pratiques de réalisation de ces systèmes (soudures
+D/-D difficiles)
Idée de l’étude : simplifier la ligne optique tout en
améliorant le système

Suppression de la fibre « -D » : pertes réduites de 1 dB et
pas de soudures +D/-D
 Compensation de dispersion assurée à la place par
conjugaison de phase optique en milieu de ligne

Conjugaison de phase optique (OPC)
Génération d’un signal conjugué obtenu par interactions
non-linéaires entre un signal incident et un signal de pompe
dans un milieu non-linéaire (cristal PPLN)
 Spectre symétrique au spectre du signal incident par rapport à la
fréquence de pompe
La conjugaison de phase optique équivaut à :
 Une inversion du signe de la dispersion chromatique cumulée
 Une inversion du signe du déphasage induit par les effets non-linéaires
1:Doublage de
fréquence
Pompe
Signal
conjugué
Signal
incident
PPLN 
i p s 2p
0
Pompe
Canaux
incidents
2:Génération de l’onde
conjuguée : i = 2p- s
Canaux
conjugués

Système “+D/OPC” simulé : caractéristiques
96 tronçons de 66 km de fibre “+D” seule
Dispositif de conjugaison de phase optique placé au
milieu de la ligne
Signal modulé en RZ-DPSK à 40 Gbit/s
O
P
C
+D
66km
+D
66km
+D
66km
+D
66km
Tx
Rx
x48
x48
Dispersion cumulée (ps/nm)
Distance (km)
OPC
60000
6000
0

Résultats numériques (40 Gbit/s RZ-DPSK)
Amélioration significative du seuil non-linéaire du
système « +D/OPC » en mono-canal par rapport à celui
du système « +D/-D » correspondant
Dégradation du seuil non-linéaire en WDM mais reste
meilleur que celui du système « +D/-D » en WDM
M. Lefrançois et al., JNOG’07, JE2
0
1
2
3
4
-8 -4 0 4 8
P
é
n
a
l
i
t
é
s
s
u
r
l
e
f
a
c
t
e
u
r
Q
(
d
B
)
+D/-D
+D/OPC
WDM
100 GHz
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
0
1
2
3
4
Puissance d’entrée (dBm)
-8 -4 0 4 8
0
1
2
3
4
-8 -4 0 4 8
P
é
n
a
l
i
t
é
s
(
d
B
)
+D/-D
+D/OPC
Mono-canal
Puissance d’entrée (dBm)

Vérification expérimentale sur 4x100 km
Dispositif expérimental de conjugaison de phase optique
inséré au milieu de la ligne (après 200 km)
Transmission « sans
erreur » obtenue après
400 km
Problèmes de stabilité du
signal conjugué et de
récupération d’horloge
Signal bande C
“red” non conjugué
“blue” conjugué
bande
“red”
bande
“blue”
Signal
bande C
TM
TE<>TM
Cristal PPLN
Pompe 1550 nm polarisée
½ bande C
“red”
Coupleur signal/pompe
Circulateur
T(°C)

Montage expérimental
Coupleur
signal/pompe
PPLN
Circulateur
Contrôle
temp. PPLN
Filtre
d’entrée
Filtre de sortie
Entrée
signal
Sortie
signal

Schéma expérimental
Système 44 x 100 km fibre TeraLight (8ps/nm/km) avec

80 canaux à 10 Gbit/s modulés NRZ, espacement 50 GHz
(0.2 bit/s/Hz), puis
 40 canaux à 40 Gbit/s modulés APol RZ-DPSK, espacement
100 GHz (0.4 bit/s/Hz)
DPSK
1
DGE
C
Rx
39
2
40
100km
DCF
100 km
DCF
DCF
100km
100 km
DCF
11x
RZ APol
NRZ
1
79
2
80
NRZ
40 x
80 x
ou
223-1
223-1
Int.
3dB
Polarization
scrambler
43Gbit/s
DPSK
1
TeraLight TM
4x100 km
TeraLight
Rx
39
2
40
100km
Booster
Pré-
amplificateur
DCF
100 km
DCF
DCF
100km
100 km
DCF
11x
RZ APol
10.7Gbit/s
NRZ
1
79
2
80
NRZ
40 x
40 Gbit/s
80 x
10 Gbit/s
40 Gbit/s
10 Gbit/s
223-1
223-1
Int.
3dB
polarisation
Brouilleur de
Égalis.
gain

Résultats
Résultats similaires à 10 Gbit/s avec modulation NRZ et à
40 Gbit/s avec modulation APol RZ-DPSK en conservant la
même ligne optique
Le choix d’un format de modulation adéquat peut suffire
à améliorer les performances d’un système
14
12
10
8
1525 1565
Wavelength (nm)
4,400km
14
12
10
8
Q
-
f
a
c
t
o
r
(
d
B
)
Wavelength (nm)
1525 1565
3,200km
40G
10G
40G
10G
14
12
10
8
1525 1565
Wavelength (nm)
4,400km
14
12
10
8
Q
-
f
a
c
t
o
r
(
d
B
)
Wavelength (nm)
1525 1565
3,200km
40G
10G
40G
10G
F
a
c
t
e
u
r
Q
(
d
B
)
Longueur d’onde (nm) Longueur d’onde (nm)
3200 km 4400 km
Limite FEC
Limite FEC
G. Charlet, M. Lefrançois et al., Elec.Lett. 41, Oct. 2005

Conclusions
Étude de différentes techniques permettant une
utilisation viable des systèmes à 40 Gbit/s par canal
Augmentation progressive de la capacité : le format
PSBT est fortement recommandé pour la modulation à
40 Gbit/s en présence de canaux voisins à 10 Gbit/s
Systèmes sous-marins WDM à 40 Gbit/s par canal :
utilisation impérative de la modulation en phase du
signal (formats ~-DPSK)
 Systèmes NZDSF : utilisation à 40 Gbit/s possible, avec
compensation de la pente de dispersion par canal
 Systèmes +D/OPC : utilisation à 40 Gbit/s potentiellement
possible, accompagnant une simplification des systèmes +D/-D

Perspectives et ouvertures
Systèmes sous-marins avec conjugaison de phase optique
 Validation expérimentale à terminer
 Tests de fiabilité poussés nécessaires
Utilisation à 40 Gbit/s d’un système prévu initialement
pour 10 Gbit/s

Technique validée expérimentalement, développement possible
3 publications journal, 7 communications en conférence,
4 brevets
Sujets de recherche amont apparus pendant la thèse
 Détection cohérente
 Débit par canal de 100 Gbit/s

Remerciements
Et aussi : Sébastien, Jean-Pierre, Robert,
Jean-Christophe, Emmanuel, Christian, Philippe,
Éric, Thibaut, François,…
Gabriel
Patrice
Haïk
Jérémie Oriol

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